STEM視域下縣域高中化學跨學科融合教學的路徑探索與實踐研究

一、縣域高中跨學科融合教學的理論基礎

(一)STEM教育理念

STEM教育理念以科學（Science）、技術（Technolo-gy）、工程(Engineering)和數(shù)學(Mathematics)四大學科的有機整合為核心，注重借助真實問題情境，引導學生運用多學科知識開展探究與實踐活動。其核心要義在于打破傳統(tǒng)學科之間的壁壘，以項目式學習為依托，著力培養(yǎng)學生在解決復雜問題過程中的創(chuàng)新思維、技術應用能力以及團隊協(xié)作素養(yǎng)。這一理念為縣域高中開展跨學科融合教學提供了方法論層面的支持，尤其適用于教育資源相對有限，但迫切需要提升學生實踐能力的教育場景。

(二）跨學科融合教學的概念及內涵

跨學科融合教學的內涵涵蓋知識整合性、問題導向性、多元方法論和動態(tài)生成性四大核心要素。知識整合性強調突破學科界限，例如在解決環(huán)境問題時，需要綜合運用地理、物理、化學等多學科知識進行分析；問題導向性以現(xiàn)實中的復雜問題為切入點，如在鄉(xiāng)村振興進程中，實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟的平衡發(fā)展，需要整合地理、經(jīng)濟、生物等學科知識；多元方法論融合了實驗探究、數(shù)據(jù)分析、社會調查等多種方法，例如在地理學科與信息技術相結合的空間分析實踐中得以體現(xiàn)；動態(tài)生成性則要求教學內容和目標能夠根據(jù)問題情境的變化進行動態(tài)調整，例如基于項目學習(PBL)的跨學科課程設計。

(三)縣域高中跨學科融合教學的意義

其一，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展。通過布置多學科交叉的實踐任務，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，并借助復雜問題的解決，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性分析能力。其二，優(yōu)化教育資源利用。通過學科資源之間的互補，緩解縣域高中師資或設備不足的問題。例如，物理教師與信息技術教師聯(lián)合開發(fā)實驗課程，同時結合縣域特色設計本土化教學項目，提高課程與地方發(fā)展的契合度。其三，推動教育公平與質量提升。跨學科融合教學能夠彌補傳統(tǒng)分科教學的局限性，縮小城鄉(xiāng)教育差距，并促進教師專業(yè)成長。例如，地理教師學習數(shù)據(jù)可視化工具，以更好地支持環(huán)境分析教學。這一教學模式既是教育改革的必然趨勢，也是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興與人才振興的關鍵路徑。

二、縣域高中跨學科融合教學現(xiàn)狀分析

(一)縣域高中教學現(xiàn)狀

當前，縣域高中面臨著多重結構性矛盾。在生源與師資方面，優(yōu)質生源外流與教師隊伍穩(wěn)定性不足形成惡性循環(huán)。部分教師由于待遇偏低、職業(yè)發(fā)展受限等原因而流失，這進一步削弱了教學質量。在課程建設方面，盡管少數(shù)學校嘗試開發(fā)具有地方特色的校本課程，但整體課程體系仍以傳統(tǒng)學科為主，跨學科課程體系呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)。而且，受限于硬件設施與資源整合能力，縣域高中在課程建設上難以形成系統(tǒng)性突破。此外，普通高中與中職教育發(fā)展存在失衡現(xiàn)象。縣域學生因升學壓力較大以及中職教育吸引力不足，普遍陷入單一應試路徑，其多元發(fā)展需求未能得到有效滿足。

（二）跨學科融合教學中存在的問題

其一，教師跨學科素養(yǎng)不足。學科知識壁壘以及專業(yè)培訓的缺失，導致教學設計碎片化。同時，激勵機制的缺位進一步抑制了教師開展跨學科融合教學的積極性。其二，課程整合缺乏科學規(guī)劃。部分學校依賴臨時性主題拼湊課程內容，資源開發(fā)未能與本地社會力量形成聯(lián)動，難以支撐深度學科融合。其三，評價體系與跨學科教學目標脫節(jié)。現(xiàn)有的考核方式偏重于單科知識的記憶，忽視了對學生綜合思維與實踐創(chuàng)新能力的評估，導致教學導向出現(xiàn)偏離。其四，縣域內校際資源分配不均。農(nóng)村高中受限于硬件設施落后與師資短缺，跨學科實踐難以落地實施，政策執(zhí)行的差異加劇了區(qū)域間的發(fā)展鴻溝。這些問題共同制約了跨學科融合教學從政策愿景向實踐成效的轉化。

三、STEM視域下縣域高中跨學科融合教學的路徑探索

(一）構建跨學科融合課程體系

在STEM視域下構建縣域高中跨學科融合課程體系，應以學科大概念為核心框架，借助真實問題情境推動知識整合。具體策略如下：首先，圍繞能源、環(huán)境等社會議題提煉跨學科知識模塊，構建主題式課程框架。例如，以“化學反應與能量轉化\"為主題，整合物理熱力學、數(shù)學建模及工程技術原理，形成模塊化的教學內容。其次，課程設計要依托真實情境。再次，實施路徑宜采用項目式學習。以“設計低碳校園能源方案\"為例，學生需要綜合考量化學儲能材料特性、物理能量守恒定律及工程成本核算，通過團隊協(xié)作完成可行性報告與實物模型制作，在此過程中培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)設計能力。

以蘇教版高中化學必修2“化學反應與能量轉化”單元為例，教師可創(chuàng)設“區(qū)域光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化\"項目。首先，引導學生從化學視角分析鋰離子電池的充放電反應(如 LiC₀O₂ 的氧化還原過程)，結合物理學科知識計算電池內阻對能量損耗的影響，再引入數(shù)學函數(shù)建模不同光照條件下儲能效率的變化曲線。在工程實踐環(huán)節(jié)，學生需設計儲能裝置原型，利用Arduino傳感器監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，并通過Python編程實現(xiàn)充放電過程的動態(tài)可視化。這種多維度的知識整合，使學生在解決“如何提升儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命”這一問題時，能夠自然貫通電化學原理、歐姆定律、導數(shù)極值求解及3D打印技術，最終形成包含材料改進方案、數(shù)學模型優(yōu)化和工程成本控制的綜合性報告。該案例充分體現(xiàn)了STEM教育中學科邊界消融、知識工具化的特征，學生通過真實產(chǎn)品的迭代開發(fā)，實現(xiàn)了從知識消費者向創(chuàng)新設計者的角色轉變。

（二）創(chuàng)設跨學科融合教學環(huán)境

在STEM視域下創(chuàng)設縣域高中跨學科融合教學環(huán)境，需以真實問題為紐帶重構學習場景，從資源整合、課程重構、協(xié)作機制三個方面構建支撐體系。理論層面，提出以下建議：一是建立學科知識圖譜，挖掘化學與物理、生物、地理等學科的核心交匯點，構建本地化資源庫。二是打造開放式實驗室，引入工程實踐工具（如3D打印、傳感器)和數(shù)字化平臺，支持多模態(tài)學習。三是推行教師協(xié)作共同體制度，通過集體備課打破學科壁壘。四是開發(fā)梯度式評價指標，關注學生工程思維、數(shù)學建模等跨學科能力的發(fā)展。

以蘇教版高中化學“原電池原理\"單元教學為例，教師設計“設計環(huán)保型水果電池\"項目，創(chuàng)設跨學科融合場景。在化學層面，學生需要分析檸檬酸電解質溶液的離子遷移規(guī)律，推導電極反應式 ：在物理層面，學生需運用電路知識測試電流強度，探究電極材料（銅片/鋅片）電極間距與輸出電壓的定量關系，建立 U=IR 數(shù)學模型；在工程層面，學生則要設計電池組串聯(lián)方案，用開源硬件搭建LED燈驅動裝置，并運用成本核算思維選擇經(jīng)濟性材料。在此過程中，教師可引入本地水果種植產(chǎn)業(yè)案例，引導學生思考如何利用廢棄果品發(fā)電，將技術倫理融入教學。實驗室提供萬用表、Arduino主板等工具，支持學生完成從化學反應分析 物理參數(shù)測量 $$ 工程產(chǎn)品迭代的全流程。最終的評價不僅考核學生對化學原理的掌握程度，更關注團隊在方案可行性論證、數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)(信息技術整合)及環(huán)保價值闡述（人文融合)等維度的表現(xiàn)，實現(xiàn)知識應用與核心素養(yǎng)的立體化培養(yǎng)。

(三)開發(fā)跨學科融合教學資源

STEM視域下縣域高中跨學科融合教學資源的開發(fā)需立足學科核心素養(yǎng)，通過系統(tǒng)性整合、情境化重構和技術賦能實現(xiàn)資源創(chuàng)新。具體策略包括：(1)多學科知識圖譜構建，打破學科壁壘，提煉化學、物理、工程等領域的關聯(lián)性概念，形成主題式資源包；(2)真實問題情境設計，結合縣域產(chǎn)業(yè)特色(如化工、環(huán)保)創(chuàng)設項目任務，驅動學生運用跨學科知識解決實際問題；(3)數(shù)字化資源開發(fā)，利用虛擬仿真、數(shù)據(jù)建模等技術將抽象概念可視化，如通過分子動力學模擬軟件呈現(xiàn)化學反應機理；(4)動態(tài)評價體系嵌入，設計包含科學探究、工程設計等維度的量規(guī)，實現(xiàn)過程性評價與資源使用的閉環(huán)反饋。

以“合成氨工業(yè)中化學平衡調控\"為例，教師可設計“縣域化肥廠能效優(yōu)化\"跨學科項目。首先，學科知識整合：化學學科聚焦勒夏特列原理，數(shù)學學科引人平衡常數(shù)計算與數(shù)據(jù)建模，工程學科分析合成塔結構對反應條件的控制邏輯，環(huán)境學科探討能耗與碳排放的關系。例如通過Matlab構建“溫度-轉化率-能耗\"三維模型，直觀展示條件優(yōu)化的邊界效應。或者，情境化任務鏈設計。設置“氨產(chǎn)量提升 20% 且能耗降低 15% ”的工程目標，要求學生：(1)利用傳感器采集實驗室模擬反應數(shù)據(jù)；(2)通過回歸分析確定最優(yōu)溫度區(qū)間；(3）設計多級換熱裝置草圖；(4)撰寫低碳生產(chǎn)建議書。此過程整合了教材中的催化劑作用機制、熱力學計算等內容。同時，教師要利用技術工具賦能。開發(fā)AR虛擬工廠系統(tǒng)，學生可通過手勢操作調整反應器參數(shù)，實時觀察物料流動與能量變化，同時接入縣域化肥廠的真實生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于對比分析。例如在壓強調控實驗中，系統(tǒng)自動生成“壓強-成本收益曲線”，強化工程經(jīng)濟思維。教師還可以采用“科學嚴謹性(平衡計算準確性）—技術創(chuàng)新性（節(jié)能方案可行性)一社會價值性（環(huán)境效益分析深度)”三維評價表，要求小組用TED演講形式展示方案，突出STEM素養(yǎng)的綜合性。該模式使教材中的理論知識點轉化為解決縣域發(fā)展實際問題的知識工具鏈。

（四）建立跨學科融合教學評價體系

STEM視域下縣域高中跨學科融合教學評價體系的建立需以能力導向、動態(tài)反饋、多維度融合為核心原則，具體策略包括：(1)構建多維度評價指標，整合科學探究能力、工程實踐能力、數(shù)學建模能力及社會責任感；(2)注重過程與結果并重，通過檔案袋記錄、階段性答辯等方式追蹤學生從問題定義到成果迭代的全過程；(3)引入多元評價主體，聯(lián)合學科教師、企業(yè)工程師、社區(qū)代表等共同制定量規(guī)，確保評價與縣域實際需求接軌；(4)開發(fā)數(shù)字化動態(tài)評價工具，利用傳感器、仿真軟件實時采集實驗數(shù)據(jù)，生成可視化評價報告，例如通過Arduino監(jiān)測化學反應參數(shù)并自動生成優(yōu)化建議。

例如，在蘇教版《化學反應原理》教材的“金屬的電化學腐蝕與防護\"中，教師可以“縣域橋梁金屬防腐方案設計\"為例，可構建“科學—工程—社會—反饋\"四維評價體系。(1)科學原理評價維度：要求學生結合教材中“析氫腐蝕\"\"吸氧腐蝕\"原理，分析不同環(huán)境(如酸雨、鹽霧)對橋梁鋼材腐蝕速率的影響，通過電化學傳感器采集實驗數(shù)據(jù)驗證理論模型。例如，在模擬酸雨環(huán)境下，學生需定量測定 Fe/Zn 電極的電流變化，并利用Matlab擬合腐蝕動力學方程，評價其對原電池反應機理的理解深度。(2)工程實踐評價維度：設計“低成本防腐蝕涂層\"方案，從材料選擇、施工工藝到成本核算進行系統(tǒng)評估。引入縣域防腐涂料企業(yè)的工程師作為外部評審，依據(jù)行業(yè)標準對方案的可行性與創(chuàng)新性打分。(3)社會價值評價維度：通過GIS地圖分析縣域橋梁分布與腐蝕風險等級，撰寫報告闡明方案對交通安全、經(jīng)濟損耗減少的潛在貢獻。例如，結合本地年均降水量數(shù)據(jù)，計算采用犧牲陽極法后橋梁壽命延長帶來的財政節(jié)約值，評價其社會效益分析的全面性。(4)動態(tài)反饋機制：搭建在線協(xié)作平臺，記錄小組實驗數(shù)據(jù)迭代過程、跨學科知識整合路徑。最終通過TED演講答辯，由師生、企業(yè)代表、環(huán)保部門共同使用“原理準確性( 30% ）、技術創(chuàng)新性( 40% ）、社會價值性 30% \"三維評價表進行綜合評分。該案例將教材中單一的電化學知識轉化為解決縣域實際工程問題的能力載體，體現(xiàn)了STEM評價體系對核心素養(yǎng)的立體化考察。

參考文獻：

[1]宋見平.基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略探究[J].數(shù)理化解題研究，2025(03):115-117.

[2」陳宜鵬.基于STEM理念的高中化學項目式學習實踐[J].亞太教育，2024(07)：13-16.

[3］肖仕清，林裕蓮．基于STEM理念構建教學內容結構化教學模式的研究：以教學高中化學“鋁土礦的開發(fā)與利用”為例[J].廣西教育，2022(35):86-89.